很多方法都可以表征高速數(shù)字通道，目標(biāo)是驗(yàn)證說(shuō)明通道合規(guī)性的特定信號(hào)完整性指標(biāo)。S參數(shù)和阻抗等指標(biāo)都很有用，但還有一項(xiàng)重要測(cè)量需要使用數(shù)字比特流進(jìn)行評(píng)估：眼圖。

作為通道合規(guī)性的一部分，眼圖是一種有用的測(cè)量或仿真。該測(cè)量結(jié)果可顯示許多能夠同時(shí)影響信號(hào)行為的不同因素，最終確定通道中的錯(cuò)誤和損耗。在本文中，將介紹一些可以從眼圖中手動(dòng)提取的基本測(cè)量結(jié)果，以及它們?nèi)绾谓沂疽恍└倪M(jìn)通道設(shè)計(jì)的策略。

信號(hào)完整性分析中的眼圖

什么是眼圖？

眼圖是用于鑒定數(shù)字系統(tǒng)中通道設(shè)計(jì)的基本測(cè)量方法之一。這涉及在時(shí)域采樣軌跡中疊加比特流的上升沿和下降沿，例如使用示波器。信號(hào)完整性仿真器可以執(zhí)行相同類型的信號(hào)電平疊加。通過(guò)疊加上升沿和下降沿，輕松可視化信號(hào)行為的方差水平。

可能導(dǎo)致誤碼率的方差是通過(guò)該測(cè)量結(jié)果確定的主要量。通過(guò)重疊信號(hào)軌跡，在時(shí)域測(cè)量結(jié)果的各個(gè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。下圖顯示了示例眼圖和從軌跡的低信號(hào)電平中獲取的測(cè)量結(jié)果的直方圖。根據(jù)該直方圖，可以通過(guò)計(jì)算樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均信號(hào)電平，將數(shù)據(jù)擬合為正態(tài)分布。生成的正態(tài)分布疊加在下面的數(shù)據(jù)上。

眼圖信號(hào)完整性分析，此處顯示的眼圖（左）用于捕獲0等級(jí)（右）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。此圖片改編自Jason Ellison關(guān)于COM的文章中的眼圖。

可以從眼圖中了解什么

此圖可幫助量化來(lái)自單次測(cè)量的大量信息。可以直接從眼圖測(cè)量結(jié)果中提取以下信息：

定時(shí)抖動(dòng)：查看開(kāi)關(guān)期間的信號(hào)交叉點(diǎn)時(shí)，可以從眼圖中直接看到上升/下降起始的變化。這將考慮差分對(duì)中的隨機(jī)噪聲和時(shí)序偏差。

信號(hào)電平差異：可以輕松查看信號(hào)電平是如何變化的。一般來(lái)說(shuō)，這是定時(shí)抖動(dòng)加上其他隨機(jī)噪聲的某種函數(shù)。信號(hào)電平也可能因阻抗不匹配而異。

平均上升/下降時(shí)間：這等于平均90%信號(hào)電平時(shí)間和平均10%信號(hào)電平時(shí)間之間的時(shí)間。它與系統(tǒng)中的通道響應(yīng)和噪聲有關(guān)。如果存在強(qiáng)烈的反射、噪聲或ISI，則上升/下降時(shí)間可能不平穩(wěn)，并且可能表現(xiàn)出停滯或強(qiáng)烈的變化。

平均符號(hào)持續(xù)時(shí)間：這是連續(xù)信號(hào)交叉中點(diǎn)之間的時(shí)間。

比特誤碼率（BER）：通過(guò)將邏輯閾值與眼圖中接收到的比特進(jìn)行比較，即可確定比特誤碼率。這個(gè)值取決于多個(gè)因素，但理想值可以小至10-12或更低。均衡和預(yù)加重等技術(shù)是降低BER值的兩種方法。例如，動(dòng)態(tài)反饋均衡（DFE）用于使用PAM-4的400G。

符號(hào)間干擾

由于信號(hào)完整性問(wèn)題，連續(xù)信號(hào)相互干擾的情況就是符號(hào)間干擾。通過(guò)檢查連續(xù)比特產(chǎn)生的符號(hào)間干擾，即可識(shí)別數(shù)字通道中的具體問(wèn)題。在通道中找到的ISI是一項(xiàng)總結(jié)性指標(biāo)，Jason Ellison在本文中提供了良好的概述以及與插入損耗偏差的比較。

這就提出了一個(gè)相反的問(wèn)題：什么元素可以構(gòu)成客觀上理想的眼圖？理想情況下，將獲得零信號(hào)失真、零抖動(dòng)、零脈沖擴(kuò)展和零幅度噪聲。換句話說(shuō)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)完全匹配。正是因?yàn)槟軌蚩吹竭@一點(diǎn)，眼圖才成為信號(hào)完整性的基本組成部分！

如何閱讀眼圖

為高速通道生成的眼圖說(shuō)明了不同電平之間信號(hào)轉(zhuǎn)換的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及每個(gè)邏輯電平的電壓統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。這使您可以測(cè)量由于符號(hào)間干擾、串?dāng)_以及任何添加到通道的現(xiàn)象學(xué)噪聲（驅(qū)動(dòng)器I/O電源軌上的電平抖動(dòng)）而導(dǎo)致的接收器上存在的噪聲。不過(guò)，用于讀取眼圖的典型指標(biāo)是其面具或眼圖開(kāi)度。

眼圖開(kāi)度表示眼圖內(nèi)部的區(qū)域。要了解眼圖開(kāi)度，我們可以查看以下224 Gbps PAM-4通道的示例。下面的仿真顯示了芯片與其連接器模塊之間約700密耳長(zhǎng)通道的偽隨機(jī)比特流的眼圖；使用Simberian計(jì)算。當(dāng)唯一存在的抖動(dòng)來(lái)自完美端接負(fù)載下的反射，最高可達(dá)所需的56 GHz通道帶寬時(shí)，我們可以看到，信號(hào)之間的間隔約為220 mV，眼圖開(kāi)度非常清晰。

短通道的224 Gbps PAM-4眼圖。

我們可以清楚地看到，沿時(shí)間軸的眼圖開(kāi)度范圍約為單位間隔（UI）的44%到57%。這表示僅由于傳入脈沖干擾反射脈沖而在接收器處觀測(cè)到的抖動(dòng)量。僅由于脈沖的疊加，該通道中的抖動(dòng)范圍約為1.16 ps。

將隨機(jī)抖動(dòng)添加到通道后，隨著時(shí)間軸和電壓軸上的交叉點(diǎn)開(kāi)始變化，我們會(huì)看到眼狀圖案變得有些模糊。以下結(jié)果顯示了僅5%隨機(jī)抖動(dòng)（UI中的st段偏差）存在于被驅(qū)動(dòng)到通道中的信號(hào)上升沿時(shí)的現(xiàn)象。這種抖動(dòng)水平可能看起來(lái)很小，但考慮到約9 ps UI值和25% UI上升時(shí)間，這足以顯著改變水平交叉點(diǎn)。結(jié)果是水平之間存在垂直距離，交叉點(diǎn)之間的水平距離減小。

眼圖224 Gbps PAM-4抖動(dòng)

其寓意是：抖動(dòng)可被視為時(shí)域中的噪聲源，它增加了電壓域中的噪聲水平，并且噪聲水平的這種變化可在眼圖中觀測(cè)到。在另一篇文章中，我將研究隨機(jī)抖動(dòng)眼圖開(kāi)度之間的相互作用，以便我們可以看到通道中可以容忍的隨機(jī)抖動(dòng)的可接受限制。

測(cè)量并模擬眼圖和BER

正如我之前提到的，眼圖可通過(guò)已知S參數(shù)/傳遞函數(shù)以及已定義緩沖的通道模型進(jìn)行仿真，也可以直接從存在所有寄生效應(yīng)的PCB布局進(jìn)行仿真。如果已知通道模型，則可通過(guò)卷積運(yùn)算，從偽隨機(jī)位序列仿真眼圖（參見(jiàn)下方框圖）。此過(guò)程可在Matlab或其他數(shù)學(xué)腳本程序中實(shí)現(xiàn)。

眼圖仿真過(guò)程

使用原型時(shí)，最終目標(biāo)是確定合規(guī)性，并從測(cè)量結(jié)果中提取通道模型。通道模型對(duì)進(jìn)一步的設(shè)計(jì)任務(wù)非常有用，例如添加連接器或過(guò)孔過(guò)渡。確定通道合規(guī)性還需要分析BER，這可能相當(dāng)復(fù)雜，本文不展開(kāi)介紹了。